проект КУПОЛ

DOME — это проект, финансируемый правительством Нидерландов между IBM и ASTRON в форме государственно-частного партнерства, ориентированный на решетку квадратных километров (SKA), крупнейший в мире запланированный радиотелескоп . СКА будет построен в Австралии и Южной Африке. Целью проекта DOME является разработка технологической дорожной карты, применимой как к SKA, так и к IBM. Пятилетний проект был начат в 2012 году и финансируется совместно правительством Нидерландов и IBM Research в Цюрихе, Швейцария, и ASTRON в Нидерландах. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Официально проект завершился 30 сентября 2017 года.

Проект DOME сосредоточен на трех областях вычислений: «зеленых» вычислениях , передаче данных и потоковой передаче данных, а также нанофотонике и разделен на семь исследовательских проектов.

Алгоритмы и машины P1 . Поскольку традиционное масштабирование вычислений по сути зашло в тупик, для проектирования будущих крупномасштабных компьютеров необходим новый набор методологий и принципов. Это будет зонтичный проект для остальных шести.
Шаблоны доступа P2 . Когда приходится хранить петабайты данных в день, необходимо разработать новый подход к многоуровневому хранению данных и среде хранения.
P3 Nano Photonics – Волоконно-оптическая связь на большие расстояния и между системами не является чем-то новым, но еще многое предстоит сделать для оптической связи внутри компьютерных систем и внутри самих телескопов.
Микросерверы P4 . Новые требования к более высокой плотности вычислений, более высокой производительности на ватт и уменьшенной сложности систем предполагают новый тип серверов, разработанных по индивидуальному заказу.
Ускорители P5 . По мере выравнивания общей производительности вычислений будут исследованы специальные архитектуры для достижения следующего уровня производительности для специализированных задач, таких как обработка и анализ сигналов.
P6 Сжатая выборка — фундаментальные исследования в области специализированной обработки сигналов и алгоритмов машинного обучения для сбора, обработки и анализа радиоастрономических данных. В фокусе внимания — измерение сжатия, алгебраические системы, машинное обучение и распознавание образов.
P7 Связь в реальном времени . Уменьшите задержку, вызванную избыточными сетевыми операциями в очень крупных системах, и оптимизируйте полезность полосы пропускания связи, чтобы правильные данные попадали в правильный процессор в реальном времени.

Алгоритмы и машины P1

Конструкция компьютеров сильно изменилась за последние десятилетия, но старые парадигмы все еще господствуют. Современные конструкции основаны на использовании отдельных компьютеров, работающих с небольшими наборами данных в одном месте. СКА столкнется с совершенно иной ситуацией, работая с чрезвычайно большим набором данных, собранных в множестве географически разделенных мест с использованием десятков тысяч отдельных компьютеров в режиме реального времени. Фундаментальные принципы проектирования такой машины придется пересмотреть. Параметры, касающиеся диапазона мощности, технологий ускорителей, распределения рабочей нагрузки, размера памяти, архитектуры ЦП, взаимодействия узлов, должны быть изучены, чтобы составить новую основу для проектирования. ^{[ 5 ]} Инструменты, созданные в результате этого проекта, будут открыты в начале 2018 года.

Это фундаментальное исследование послужит основой для остальных шести направлений и поможет принять правильные решения относительно архитектурных направлений.

Первым шагом станет ретроспективный анализ конструкции телескопов LOFAR и MeerKAT и разработка инструмента проектирования, который можно будет использовать при проектировании очень больших и распределенных компьютеров.

Шаблоны доступа P2

Этот проект будет сосредоточен на очень большом объеме данных, которые должен обрабатывать DOME. SKA будет генерировать петабайты данных ежедневно, и с ними нужно обращаться по-разному в зависимости от срочности и географического положения, будь то рядом с массивами телескопов или в центрах обработки данных. Необходимо разработать сложное многоуровневое решение с использованием множества технологий, которые в настоящее время выходят за рамки современного уровня техники. Движущими силами таких проектов будут минимально возможная стоимость, доступность и энергоэффективность.

Этот многоуровневый подход будет сочетать в себе несколько различных видов программных технологий для анализа, просеивания, распределения, хранения и извлечения данных на оборудовании, начиная от традиционных носителей информации, таких как магнитная лента и жесткие диски, и заканчивая недавно разработанными технологиями, такими как память с фазовым изменением . Пригодность различных носителей данных во многом зависит от моделей использования при записи и чтении данных, и эти модели со временем будут меняться, поэтому в конструкции также должно быть место для изменений. ^{[ 6 ]}

P3 Нано Фотоника

Транспортировка данных является основным фактором, влияющим на проектирование как самых крупных, так и самых маленьких систем DOME. Стоимость электрической связи по медным проводам будет стимулировать применение фотонных межсоединений малой мощности — от соединений между собирающими антеннами и центрами обработки данных до подключения устройств внутри компьютеров. И IBM, и ASTRON имеют передовые исследовательские программы в области нанофотоники , формирования луча и оптических линий связи , и они объединят свои усилия для разработки новых разработок. ^{[ 7 ]}

Этот исследовательский проект разделен на четыре отдела исследований и разработок , посвященных исследованию цифровых оптических межсоединений, аналоговых оптических межсоединений и обработке аналоговых оптических сигналов.

Технология цифрового оптического соединения для плат обработки астрономических сигналов .
Технология аналогового оптического соединения для с матрицами в фокальной плоскости . входных каскадов
Технология аналогового оптического соединения для фотонных приемников с фазированной решеткой.
Технология аналогового оптического соединения и обработки сигналов для фотонных матриц в фокальной плоскости.

В феврале 2013 года на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) компании IBM и Федеральная политехническая школа Лозанны со скоростью 100 Гбит/с . (EPFL) в Швейцарии продемонстрировали аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ^{[ 8 ]} В феврале 2014 года на выставке ISSCC компании IBM и ASTRON продемонстрировали АЦП 400 Гбит/с. ^{[ 9 ]}

P4 Микросерверы

В 2012 году команда IBM под руководством Рональда П. Луитена начала разработку высокопроизводительного и энергоэффективного 64-битного вычислительного сервера на основе стандартных компонентов под управлением Linux . Лучше всего этим целям соответствует конструкция системы -на-кристалле (SoC), в которой большинство необходимых компонентов помещается на одном кристалле, и появилось определение «микросервера», согласно которому, по сути, на кристалле помещается полная материнская плата (за исключением ОЗУ и загрузочной флэш-памяти). . Были исследованы решения на базе ARM , x86 и Power ISA , и решение на базе Freescale на базе Power ISA от двухъядерного процессора P5020 / четырехъядерного P5040 заняло первое место.

Дизайн

Полученный микросервер имеет тот же форм-фактор, что и стандартный разъем FB-DIMM . Чип SoC, около 20 ГБ DRAM и несколько микросхем управления (например, PSoC 3 от Cypress, используемый для мониторинга, отладки и загрузки ) составляют полный вычислительный узел с физическими размерами 133×55 мм. Контакты карты используются для подключения SATA , пяти портов Gbit и двух 10 Gbit портов Ethernet , одного интерфейса SD-карты , одного интерфейса USB 2 и питания.

Вычислительная карта работает в пределах мощности 35 Вт с запасом мощности до 70 Вт. Идея состоит в том, чтобы разместить около сотни таких вычислительных карт в 19-дюймовой стойке высотой 2U вместе с сетевыми коммутаторами для внешнего хранения и связи. Охлаждение будет обеспечено. с помощью Aquasar системы охлаждения горячей водой , впервые использованной в суперкомпьютере SuperMUC в Германии.

Будущее

В конце 2013 года был выбран новый SoC. от Freescale Новый 12-ядерный процессор T4240 значительно мощнее и работает в том же диапазоне мощности, что и T5020. В начале 2014 года был создан и проверен новый прототип микросерверной карты для более масштабного развертывания в корпусе высотой 2U. Позже была разработана 8-ядерная плата ARMv8 с использованием компонента LS2088A от NXP (ранее Freescale). В конце 2017 года IBM лицензирует эту технологию стартапу, который планирует вывести ее на рынок к середине 2018 года.

Ускорители P5

Традиционные высокопроизводительные процессоры достигли предела производительности в конце 2000-х годов, когда тактовую частоту уже нельзя было увеличивать из-за растущих требований к питанию. Одним из решений является включение оборудования для разгрузки наиболее распространенных и/или ресурсоемких задач на специализированное оборудование, называемое ускорителями . В этом направлении исследований будут предприняты попытки выявить эти области и разработать алгоритмы и оборудование для преодоления узких мест. Вероятно, появятся ускорители, выполняющие обнаружение шаблонов , синтаксический анализ , поиск данных и обработку сигналов . Аппаратное обеспечение будет двух классов; фиксированные ускорители для статических задач или программируемые ускорители для семейства задач со схожими характеристиками. Проект также будет посвящен массовым параллельным вычислениям с использованием обычных графических процессоров . ^{[ 10 ]}

P6 Сжатая выборка

Проект компрессионной выборки представляет собой фундаментальное исследование обработки сигналов , проводимое в сотрудничестве с Делфтским технологическим университетом . В контексте радиоастрономического захвата, анализа и обработки сигналов требуется чрезвычайно большая вычислительная мощность для огромных наборов данных. Цель состоит в том, чтобы одновременно выполнять выборку и сжатие и использовать машинное обучение , чтобы определить, что оставить, а что выбросить, желательно как можно ближе к сборщикам данных. Целью этого проекта является разработка алгоритмов компрессионной выборки, которые можно использовать при захвате сигнала и калибровке шаблонов для сохранения в постоянно растущем количестве кластеров шаблонов . Исследование также решит проблему ухудшения качества изображений, обнаружения выбросов , классификации объектов и формирования изображений. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

P7 Связь в реальном времени

Перемещение данных от сборщиков к объектам обработки традиционно затрудняется из-за высокой задержки ввода-вывода , низкой пропускной способности соединений, а данные часто умножаются по пути из-за отсутствия целенаправленного проектирования сети связи. В этом исследовательском проекте будет предпринята попытка снизить задержку до минимума и спроектировать системы ввода-вывода таким образом, чтобы данные записывались непосредственно в механизмы обработки на компьютере экзафлопсной конструкции. На первом этапе будут выявлены узкие места системы и исследован удаленный прямой доступ к памяти (RDMA). На втором этапе будет исследовано использование стандартной технологии RDMA в межсетевых соединениях. Третий этап включает разработку функциональных прототипов. ^{[ 13 ]}

Ссылки

^ DOME: Экзафлопсный компьютер IBM и ASTRON для радиотелескопа SKA
^ «NLeSC подписывает соглашение DOME с IBM и ASTRON» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ IBM обращается к новым технологиям для решения беспрецедентных задач по обработке данных.
^ От большого взрыва к большим данным: ASTRON и IBM сотрудничают в изучении происхождения Вселенной
^ «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – алгоритмы и машины» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – шаблоны доступа» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ «Центр эксафлопсных технологий ASTRON и IBM – нанофотоника» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ Исследование сверхбыстрого Ethernet повышает скорость Интернета до 100 Гбит/с.
^ IBM открывает двери для Интернета со скоростью 400 Гбит/с.
^ «Центр эксафлопсных технологий ASTRON и IBM – ускорители» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – компрессионная выборка» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ «Сжатие данных и формирование изображений для радиотелескопов будущего (DRIFT)» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.
^ «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – RT Communication» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[1] DOME: Экзафлопсный компьютер IBM и ASTRON для радиотелескопа SKA

[2] «NLeSC подписывает соглашение DOME с IBM и ASTRON» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[3] IBM обращается к новым технологиям для решения беспрецедентных задач по обработке данных.

[4] От большого взрыва к большим данным: ASTRON и IBM сотрудничают в изучении происхождения Вселенной

[5] «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – алгоритмы и машины» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[6] «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – шаблоны доступа» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[7] «Центр эксафлопсных технологий ASTRON и IBM – нанофотоника» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[8] Исследование сверхбыстрого Ethernet повышает скорость Интернета до 100 Гбит/с.

[9] IBM открывает двери для Интернета со скоростью 400 Гбит/с.

[10] «Центр эксафлопсных технологий ASTRON и IBM – ускорители» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[11] «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – компрессионная выборка» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[12] «Сжатие данных и формирование изображений для радиотелескопов будущего (DRIFT)» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[13] «Центр экзафлопсных технологий ASTRON и IBM – RT Communication» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 2 июля 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]